基于FPGA的無(wú)損圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了圖像壓縮的重要性和常用的無(wú)損圖像壓縮算法，分析了快速高效無(wú)損圖像壓縮算法(FELICS)的優(yōu)勢(shì)，隨后詳細(xì)分析了該算法的編碼步驟和硬件實(shí)現(xiàn)方案，最后公布了基于該方案的FPGA性能指標(biāo)。和其他壓縮算法相比該方案可極大地減小無(wú)損圖像壓縮系統(tǒng)所需的存儲(chǔ)空間和壓縮時(shí)間。

　　引言

　　隨著信息技術(shù)的巨大革新，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸開(kāi)始在人類生活中變得越來(lái)越重要，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)因而應(yīng)運(yùn)而生，它不僅能減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需的空間還可以緩解傳輸帶寬的壓力。數(shù)據(jù)壓縮可以分為有損壓縮和無(wú)損壓縮兩種，其中有損壓縮技術(shù)可以獲得較高的壓縮比，但是會(huì)丟失一些圖片信息，可以應(yīng)用在對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的領(lǐng)域，但是在醫(yī)療圖像、航天圖像等特殊領(lǐng)域中，則要求圖像壓縮算法是無(wú)損的^[1]。

　　無(wú)損壓縮技術(shù)可以去除冗余信息并保證重建的步驟不會(huì)對(duì)原始信息帶來(lái)任何損失。這樣一來(lái)，解碼后的信息就和原始信息精確相等。CALIC ^[2]和JPEG-LS^[3]等諸多算法都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在這一領(lǐng)域。另外，離散小波變換(DWT)算法也常被用來(lái)放松對(duì)開(kāi)環(huán)視頻編碼系統(tǒng)存儲(chǔ)空間和帶寬的要求。但是，這些算法大多對(duì)數(shù)據(jù)具有嚴(yán)重的依賴性并且編碼步驟較為復(fù)雜，因此限制了其在高速產(chǎn)品中的應(yīng)用。快速高效無(wú)損圖像壓縮系統(tǒng)(FELICS)于1993年由P.G.howard提出^[4]，這是一種以編碼效率見(jiàn)長(zhǎng)的無(wú)損圖像壓縮算法，并且編碼時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有依賴性，因此能應(yīng)用在高速壓縮系統(tǒng)中^[5-6]。幾種壓縮算法的壓縮比和壓縮時(shí)間對(duì)比如圖1所示，可以看出FELICS算法壓縮比適中，但壓縮效率的優(yōu)勢(shì)較為明顯。

　　接下來(lái)將詳細(xì)分析FELICS算法的優(yōu)勢(shì)和具體的編碼步驟，最后將針對(duì)這一壓縮算法提出一種基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)方案。

　　1 整體算法設(shè)計(jì)

　　FELICS算法中應(yīng)用到三種主要的技術(shù)手段：像素點(diǎn)分布模型的選取、修正的二元編碼和GOLOMB-RICE熵編碼。

　　1.1 像素點(diǎn)分布模型

　　整幅圖像前兩個(gè)像素點(diǎn)不進(jìn)行編碼處理直接輸出，從第三個(gè)像素點(diǎn)開(kāi)始選取與之相鄰的兩個(gè)像素點(diǎn)作為參考像素點(diǎn)，參考像素點(diǎn)的選取規(guī)則如圖3所示，用i和j來(lái)表示行號(hào)和列號(hào)，P,N1和N2表示當(dāng)前像素點(diǎn)和兩個(gè)參考像素點(diǎn)，選取規(guī)則如下：

　　If (i==1 && j<3) 直接輸出，無(wú)需編碼

　　If (i==1 && j>2) N1=P[i,j-1],N2=P[i,j-2];

　　If (i>1 && j==1) N1=P[i-1,j],N2=P[i-1,j+1];

　　If (i>1 && j>1) N1=P[i,j-1],N2=P[i-1,j];

　　選出參考像素點(diǎn)N1與N2之后，將二者進(jìn)行比較，記較大者為H，較小者為L(zhǎng)，Δ為H-L。